系统可靠性ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,系统可靠性课件,系统可靠性课件,1,目录,系统,可靠性的概念及指标,1,2,3,4,系统,可靠性模型,可靠性计算及预,估,可靠性设计与分配,目录系统可靠性的概念及指标 12 3 4系统可靠性模型可靠性,2,1 系统,可靠性的概念及指标,70,%,1.1系统可靠性?,可靠性,是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。,规定的条件,-是系统完成规定功能的约束条件，包括使用条件、维护条件、操作条件和环境条件等；,规定的时间,-广义的时间（日历时间、里程、发数）或“寿命单位”；,规定的功能,-系统能正常发挥其各项性能。,1 系统可靠性的概念及指标70%1.1系统可靠性?可靠性是指,3,1 系统,可靠性的概念及指标,70,%,1.2.为什么要进行可靠性分析？,系统可靠性是评价系统的一个重要性能指标，系统可靠性分析是系统工程的一个重要组成部分。在系统规划设计、生产制造、使用与维护的各个环节中，运用各种系统可靠性技术与方法评估系统的可靠性，提高系统的可靠性，就可以更好地发挥系统效能，避免社会、经济和技术风险，获得尽可,能,大的社会经济效益。,技术系统,社会系统,1 系统可靠性的概念及指标70%1.2.为什么要进行可靠性分,4,1 系统,可靠性的概念及指标,70,%,1.2,为什么要进行可靠性分析？,前苏联的“联盟11号”宇宙飞船返回时，因压力阀门提前打开而造成三名宇航员全部死亡。,1986年1月28日导致穿梭机“挑战者”号爆炸的竟是一个助推器的密封圈失效，助推器由许多节连接在一起组成，节间加以密封，如果一个连接点的密封失效，则将引起火箭助推器外壳破裂，从而引起外燃料罐爆炸。最后导致造价12亿美元的“挑战者”号爆炸，七名宇航员全都遇难的重大事故。,美国的康明斯、卡勃彼特柴油机，大修期为12000小时，而我国柴油机不过1000小时，有的甚至几十小时、几百小时就出现,小,故障。,我国生产的电梯，平均使用寿命(指两次大修期的间隔时期)为3年左右，而国外的电梯平均寿命在10年以上，是我们的3倍;故障率，国外平均为0.05次，而我国为1次以上，高出20倍,。,因此，提高,系统的可靠性，,除了是,关系到企业生存和发展的大问题，,更是,关系到国家经济兴衰的大问题。,1 系统可靠性的概念及指标70%1.2 为什么要进行可靠性分,5,1 系统,可靠性的概念及指标,可靠性度量指标,可靠度R(t),不可靠度F(t),故障密度函数f(t),故障率(失效率)(t),平均寿命,1 系统可靠性的概念及指标可靠性度量指标可靠度R(t)不可靠,6,1 系统,可靠性的概念及指标,70,%,1.3 可靠性的度量指标,可靠度 R(t),产品在规定的时间t内和规定的条件下，完成规定功能的概率称为产品的可靠度函数，简称可靠度，记为R(t)。,N,0,为产品总数，,r(t),为工作到,t,时刻产品发生的故障数。,不可靠度,F,(t),F(t)=1-R(t),1 系统可靠性的概念及指标70%1.3 可靠性的度量指标可靠,7,1 系统,可靠性的概念及指标,70,%,1.3 可靠性的度量指标,例：,对100个某种器件在相同条件下进行寿命试验，每工作100h测试一次，得到结果下表所示，试估计该种元件在各检测点的可靠度。,时间t,i,/h,在(0,t,i,)内的故障数r(t,i,),0,0,1.00,100,5,0.95,200,20,0.8,300,46,0.54,400,63,0.37,500,76,0.24,600,85,0.15,700,90,0.10,800,93,0.07,1 系统可靠性的概念及指标70%1.3 可靠性的度量指标,8,1 系统,可靠性的概念及指标,70,%,1.3可靠性的度量指标,故障(,失效,),密度函数f(t),故障率(失效率)(t),已工作到时刻t的产品在其后单位时间内发生故障的条件概率称为产品在时刻t的故障率，简称故障率，记为(t)。,f(t),F(t),R(t),t,t,F(t)、R(t),和,f(t),三者的关系,1 系统可靠性的概念及指标70%1.3可靠性的度量指标 故障,9,1 系统,可靠性的概念及指标,70,%,1.3 可靠性的度量指标,故障率(失效率)(t),当,(t),=,(常数)时：,1 系统可靠性的概念及指标70%1.3 可靠性的度量指标故障,10,1 系统,可靠性的概念及指标,70,%,1.3 可靠性的度量指标,平均寿命,产品寿命的平均值称为该产品的平均寿命，记为。,对不可修复产品平均寿命又称为平均故障前时间，记为MTTF。,对可修复产品平均寿命又称为平均故障间隔时间，记为MTBF。,当失效率为常数时：,1 系统可靠性的概念及指标70%1.3 可靠性的度量指标平均,11,1 系统,可靠性的概念及指标,70,%,1.3 可靠性的度量指标,几种,常见的寿命分布类型,：,分布形式,故障密度函数f(t),可靠度函数R(t),失效率(t),指数分布,正态分布,威布尔分布,1 系统可靠性的概念及指标70%1.3 可靠性的度量指标几种,12,1 系统,可靠性的概念及指标,70,%,1.4,产品的故障规律,浴盆曲线图,1 系统可靠性的概念及指标70%1.4产品的故障规律浴盆曲线,13,2 系统,可靠性,模型,典型系统的可靠性模型分类,2 系统可靠性模型典型系统的可靠性模型分类,14,2 系统,可靠性,模型,2.1串联系统可靠性模型,L,C,产品原理图：表示产品中各单元之间的物理关系。,可靠性框图：表示产品中,各单元之间逻辑功能关系。,C,L,n个单元串联模型的,可靠度是产品各单元可靠度的积,:,故障率是产品各单元故障率的和,:,系统平均故障间隔时间MTBF为：,特点：,组成串联系统的单元越多，产品的可靠性越低。,串联模型：只有所有子系统都正常工作，系统才能正常工作,2 系统可靠性模型2.1串联系统可靠性模型LC产品原理图：表,15,2 系统,可靠性,模型,70,%,2.2串联系统可靠性模型,1,2,n,1,2,n,并联系统可靠性框图,工作状态,备用状态,并联系统是最简单的冗余系统,并联系统的可靠度,：,特点：,产品的可靠性高于各组成单元的可靠性。,并联模型：只有所有子系统都失效，系统才失效。,n个单元并联模型的不,可靠度,：,2 系统可靠性模型70%2.2串联系统可靠性模型12n12n,16,2 系统,可靠性,模型,2.3混联系统可靠性模型,n,列,k,行,k,行,n,列,2.4表决系统可靠性模型,则,n,/,k,表决系统的可靠度为：,2 系统可靠性模型2.3混联系统可靠性模型n列k行k行n列2,17,2 系统,可靠性,模型,2.5储备系统可靠性模型,2.6桥式网络系统可靠性模型,桥式系统,桥式系统模型,该桥式网络系统共有,32,种状态，有,16,种状态为正常工作状态。采用状态枚举的方法计算出桥式系统的可靠度。,为了提高系统的可靠性，可另外储备一些具有相同功能的系统，以便当工作中系统失效时用一个备用系统替代，具有这种功能的系统称为,储备系统，,根据这些储备的子系统在储备期间的失效率可以分为,冷储备,和,热储备,。,2 系统可靠性模型2.5储备系统可靠性模型2.6桥式网络系统,18,2 系统,可靠性,模型,2.7,选择可靠性模型的原则,大型系统的系统级一般都用串联模型。,元部件可靠性是系统可靠性的基础。尤其是大量使用的元部件或设备，必须努力提高其可靠性。只有在这种方法不能奏效，或当提高元部件的可靠性的费用高于使用储备的费用时，使用储备模型才是提高任务可靠性的有效的办法。,对于简单并联模型来说，当储备单元超过一定数量时，可靠性提高的速度大为减慢(n3)；,有储备的系统，如果可以在不停止工作的情况下进行修理，则可以大大提高其可靠度；,2 系统可靠性模型2.7选择可靠性模型的原则大型系统的系统级,19,3,可靠性计算及预,估,70,%,3.1 事件树分析法,可靠性计算及预估的常用方法有：,事件树分析法,、,故障树分析法,、,上下限法,事件树分析法简称,ETA,法（,Event Tree Analysis,），它是一种自上而下的顺序分析法。分析从故障的原因事件开始，按时间进程分析可能导致的各种事件序列，以便定性或者定量的分析系统。,ETA,的主要内容：,A.,确定或者寻找可能导致故障的原因事件,并进行合理的分类,B.,建立事件树并进行合理的简化,C.,定量计算系统的失效率和各种事件的概率,I,成功,S,1,IS,1,S,2,失败,F,1,成功,S,2,失败,F,2,成功,S,2,失败,F,2,IS,1,F,2,IF,1,S,2,IF,1,F,2,初因事件,系统1,系统2,事件序列,3 可靠性计算及预估70%3.1 事件树分析法可靠性计算及预,20,3,可靠性计算及预,估,案例,：煤气报警系统事件树,煤气泄漏,E,D,P,1,P,2,煤气泄漏,检测到,未检测到,信号传出,信号未传出,排风启动,排风未启动,煤气关闭,煤气未关,煤气关闭,煤气未关,S,P,P,F,F,F,状态,假如每个事件的发生概率均为,0.988,，则,3 可靠性计算及预估案例：煤气报警系统事件树煤气泄漏EDP1,21,3,可靠性计算及预,估,70,%,3.2 故障树分析法,故障树分析FTA：通过对造成系统故障（顶端事件）的各种可能的原因（中间事件或底事件）进行分析，画出逻辑因果图（故障树），进而确,定,中间事件或底事件的各种可能的组合方式或共发生概率，以便采取措施提高系统的可靠性。,故障树示意图,故障树分析的准备,确定顶端事件,建立故障树,定性分析,定量分析,写出分析报告，提出改进措施,熟悉系统相关资料，掌握设计意图、结构、功能和环境情况。确定顶端事件及各级故障事件，根据任务要求确定分析目的及系统故障判据。,从顶端事件出发根据基本规则和方法建造故障树。,故障树的规范化；简化及模块分解；计算故障树的最小割集。,由各底事件发生概率计算出顶事件的发生概率。,3 可靠性计算及预估70%3.2 故障树分析法 故障树,22,3,可靠性计算及预,估,3.3 上、下限法,上、下限法也称为边界法和界限法。它根据系统各个单元的可靠度和失效率，逐步计算出整个系统越来越精确的可靠度上限和下限，然后根据恰当的公式，计算出整个系统的可靠度预测值。,Rum和Rlm分别为系统可靠度的上限和下限的预估值,3 可靠性计算及预估3.3 上、下限法上、下限法也称为边界法,23,4,可靠性设计与分配,4.1 可靠性设计,降额设计,储备（冗余）设计,EMC设计,升额设计,软件可靠性设计,热设计,可维护性设计,I+II,全寿命周期费用,I,：研制,+,购置费用,II,：使用维护费用,R,：可靠性,费,用,可靠性与经济性关系,4 可靠性设计与分配4.1 可靠性设计降额设计I+II全寿命,24,4,可靠性设计与分配,4.1 可靠性设计,降额设计,为了提升电子设备的可靠性而常用，主要是指构成电子设备的元器件使用(电应力和温度应力)低于元器件本身的额定值，以达到延缓其参数退化，增加工作寿命，提高使用可靠性的目的。,在降额设计中，“降”得越多，要选用的元器件在性能就应该越好，成本也就越高，所以在降额设计过程中，要综合考虑。,4 可靠性设计与分配4.1 可靠性设计降额设计,25,4,可靠性设计与分配,4.1 可靠性设计,冗余设计,如果,一个系统的可靠度为,MTBF = 6667H,，达不到设计目标值,MTBF = 8000H,;,若是,把两个这样的系统“并联”起来，结果将会怎么样呢?,单独使用时,对应的,失效率,为,1,，可靠度为R,1,;并联后的系统对应的,失效率,为,s,，可靠度为R,s,;则:,冗余设计过程中，必定会增加整个系统的体积、成本等,4 可靠性设计与分配4.1 可靠性设计冗余设计 冗余设计过程,26,4,可靠性设计与分配,4.1 可靠性设计,旁联(储备)效果最好，并联次之，表决最差。,结论：,通过并联、表决和,储备,等冗余方式，均可有效提高产品设计可靠性。考虑到产品设计的实际情况，有必要选择合适的单元数量及联接方式。,并联系统,表决系统,储备系统,4 可靠性设计与分配4.1 可靠性设计旁联(储备)效果最好，,27,4,可靠性设计与分配,4.2 可靠性分配,代数分配法,1.等分配法,设R,s,是系统的可靠度要求，Ri是分配给每个子系统的可靠度要求,对于,串联系统,i=1,2,n,对于,并联系统,i=1,2,n,将可靠度相等地分配给各个子系统,4 可靠性设计与分配4.2 可靠性分配 代数分配法1.等分配,28,4,可靠性设计与分配,4.2 可靠性分配,2.比例分配法,按子系统的现有不可靠度,成比例,地分配允许不可靠度，从而得到要求的可靠度。,例：设有某个串联系统，n=3, R=0.9,子系统现有可靠度分别为0.94,0.90,0.96，需计算出各子系统可靠度的合理分配值。,子系统,现有R,i,现有F,i,允许F,i,要求R,i,1,0.94,0.06,0.03,0.97,2,0.90,0.10,0.05,0.95,3,0.96,0.04,0.02,0.98,现有R=0.81216,现有F=0.20,允许F=0.10,要求R=0.90304,R=R,1,R,2,R,3,R,n,1-F=(1-F,1,)(1-F,2,)(1-F,3,)(1-F,n,)F,F,1,+F,2,+F,3,+,+F,n,4 可靠性设计与分配4.2 可靠性分配 2.比例分配法按子系,29,4,可靠性设计与分配,4.2 可靠性分配,加权分配法,考虑各个子系统对于系统的重要程度，根据子系统,发生故障后,引起整个系统故障的,概率,来分配各个子系统的可靠度。,称为,重要因子,或,重要度,假设某系统由n个子系统串联组成，各子系统的可靠度都服从指数分布，如第i个子系统A,i,的可靠度为：,则第i个子系统的预估可靠度为：,整个系统的可靠度为：,4 可靠性设计与分配4.2 可靠性分配 加权分配法考虑各个子,30,4,可靠性设计与分配,4.2 可靠性分配,加权分配法,如要求系统的可靠度指标为R，则按等分配法分配到各个子系统的可靠度为：,考虑加权因子W时，可求得：,如果子系统是mi个单元所组成，系统总单元数为：,i=1,2,n,m,i,/N为系统的复杂因子,4 可靠性设计与分配4.2 可靠性分配 加权分配法如要求系统,31,4,可靠性设计与分配,4.2 可靠性分配,拉格朗日乘子分配法,原理：设有函数Z=F(x,y),要在条件G(x,y)=0的约束下求其极值。建立一个新函数：,称为拉格朗日乘子，它满足方程：,点（x,0,y,0,）为函数F(x,y)及H(x,y)的极值点。,4 可靠性设计与分配4.2 可靠性分配 拉格朗日乘子分配法原,32,4,可靠性设计与分配,4.2 可靠性分配,例：,设某系统中的子系统i可靠性Ri与它的制造费用xi之间的关系可表示为：,式中d,i,与,i,为子系统i的已知常数。设系统由K个子系统串联而成,系统可靠度为R,它分配给各个子系统，使得制造总费用,为最小。,i=1,2,K,4 可靠性设计与分配4.2 可靠性分配 例：设某系统中的子系,33,4,可靠性设计与分配,4.2 可靠性分配,动态规划分配法,设系统由n个子系统串联组成，为了提高系统的可靠性，可以采用冗余技术，将子系统设计为元件并联系统，于是整个系统如图所示的,串并联混合系统,。,设子系统i中有Ui个并联元件时，其可靠度为R,i,(U,i,),设子系统i中单个并联元件的成本为Ci，重量为Wi,系统的总费用限制为C，总重量限制为W，则可建立以下模型：,i=1,2,n,4 可靠性设计与分配4.2 可靠性分配 动态规划分配法设系统,34,4,可靠性设计与分配,4.2 可靠性分配,设状态变量Xk表示从子系统k到n所允许使用的费用之和，x1=C;,设状态变量yk表示从子系统k到n所允许具有的重量之和，y1=W;,决策变量uk为子系统k中的并联元件数。,于是建立状态转移方程：,允许决策集合为：,指数函数为：,求其极大值，递推方程为：,4 可靠性设计与分配4.2 可靠性分配 设状态变量Xk表示从,35,谢谢！,谢谢！,36,谢谢！,谢谢！,37,